不同纳米材料在电极材料中的应用研究毕业论文

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1、不同纳米材料在电极材料中的应用研究摘要：提高锂离子电池的性能，关键在于选取合适的电极材料。本文介绍了不同纳米材料在锂离子电池中的应用情况。主要综述了近几年锂离子电池负极材料中的应用与研究情况,如石墨烯与过渡金属氧化物(MxOy，M=Sn、Co、Fe、Mn、Cu、Ni等)复合材料、纳米线复合材料等的应用，研究了不同的纳米复合材料与石墨烯复合材料的稳定性及其充放电的性能，同时展望了纳米材料在电极材料中的发展前景。关键词：锂离子电池石墨烯过渡金属氧化物储锂复合材料0引言能源和环境是人类跨入21世纪面对的两个严峻的问题，开发新能源和

2、可再生清洁能源是世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。锂离子电池作为一种绿色能源，具有工作电压高，质量轻，比能量大，自放电小，循环寿命长，无记忆效应，无环境污染等突出优点，被认为是摄像机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等电子装置小型轻量化的理想电源，也是未来汽车高能动力电池的首选电源。锂离子电池真正投入商业化生产是在２０世纪９０年代初期，对锂离子电池系统性的研究也只进行了２０余年。因此，锂离子电化学仍是一门新兴的学科，如何改进锂离子电池的性能，如容量、功率、稳定能、安全性、成本、充放电速率、寿命和环境保护等方面，仍

3、有极大的探索空间和发展潜力。对锂离子电池进行性能上的改善和提高，主要可以从电极材料、电解质和电池组装工艺3个方面入手。锂离子电池性能的提高关键在于其电极材料性能的改善，而负极材料是提高电池容量和循还性能的重要因素。目前，锂离子电池所采用的碳负极材料其理论容量为372mA·h/g，研究有更高比容量的负极材料代替碳材料，以提高锂离子电池的能量密度，具有重要的意义。而过渡金属氧化物(MxOy，M=Sn、Co、Fe、Mn、Cu、Ni等)由于其较高的比容量，引起了人们的广泛关注。然而，对于单纯的金属氧化物负极材料，尽管其理论的比容量较

4、高，但其循环稳定性不及碳材料，且倍率性能低，故在此基础上发展出了基于过渡金属氧化物的复合材料[1]。由于碳纳米管（CNTs）与石墨烯(Graphene)的非常好的力学性能与导电性能，过渡金属氧化物与碳纳米管和石墨烯的复合材料是一个研究的热点。复合材料综合了两种材料的优点，具有有益的循环性能、较高的比容量及结构稳定性。此外，一维纳米线、孔结构的氧化物负极材料等也得到了长足的发展。进入二十世纪90年代，纳米科学技术扩展到电化学领域。由于纳米材料具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和量子隧道效应，因此纳米材料具有许多独特的物理和

5、化学性质，如比表面积大、锂离子脱出嵌入深度小，行程短的特点，作为电极材料，可逆容量高，循环寿命长，充放电过程中体积变化小。本文从不同纳米材料的结构和性能出发，综合其优点和缺点，探讨了其储锂机制和充放电的性能，最后展望了各纳米材料的发展前景。0锂离子电池的工作原理锂离子电池由正极、负极和电解质构成。充电时从正极材料中脱出，经由电解质向负极迁移，同时电子在外电路从正极流向负极，在负极得到电子后向负极晶格中嵌入，放电时则相反。以商业化的石墨/电池为例，图1给出了锂电池的充放电原理图。Li+和Co+各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八

6、面体位置。充电时，锂离子从八面体位置脱出，释放一个电子，氧化为。锂离子经电解液到达石墨负极，插入到石墨片层，同时电子作为补偿电荷从外电路到达石墨负极，以保证负极的电荷平衡。放电时则相反。在正常充放电情况下，锂离子在和石墨和层间来回嵌入和脱出，一般只引起层间距的变化，不破坏晶体结构[2]。0锂离子电池对于负极材料的要求目前，发展高比容量锂离子电池的关键在于制备能够可逆插入和脱嵌锂离子的负极材料。这类材料一般应具有以下性能[3]：（1）在负极材料中大量锂离子可以发生可逆插入和脱嵌以获得高比容量；（2）氧化还原电位随锂离子插入量的

7、变化应该尽可能小，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平稳的充放电；（3）在整个插入/脱嵌过程中，锂离子的插入和脱嵌不引起材料结构的较大变化，以确保良好的循环性能（4）锂离子在电极材料中有较大的扩散系数，能够实现快速充放电；（5）插入化合物有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以减少极化，并能进行大电流充放电。1锂离子电池负极材料目前负极材料的研究热点主要集中在以下几种:碳材料、硅基材料、纳米金属氧化物、金属及新型合金。3.1碳材料根据石墨化的程度，碳材料一般可分为石墨、软碳和硬碳。此外还有低温处理碳前驱体得到的无定形碳

8、材料。石墨在碳家族中首先被用于商品化锂离子电池的负极材料，解决了金属锂做负极材料时存在的安全问题，实现了可逆充放电，但受层间储锂数量所限，它的比容量低。而硬碳和无定形碳材料虽然具有较高的容量，但结构不太稳定，存在电压滞后现象和较大的容量衰减以及较大的首次不可逆容量，不能达到实际应用需求，至